Исследование влияния плазменных колебательных процессов на переход к улученному удержанию в токамаках

Фундаментальная проблема возникновения и поддержания периферийных транспортных барьеров в токамаках и стеллараторах остается предметом многочисленных экспериментальных и теоретических исследований высокотемпературной плазмы. В экспериментальных работах подтверждается общая картина перехода к улучшенному удержанию, который, как полагается, происходит при возникновении шира скорости вращения плазмы, приводящего к подавлению турбулентного переноса на периферии плазмы в тороидальных системах. Однако в исследовании конкретных механизмов образования шира скорости появляются новые аспекты. В настоящее время активно исследуются колебательные процессы, которые предшествуют переходу к улучшенному удержанию и могут приводить к такому переходу или способствовать его возникновению. К таким процессам относятся возникновение зональных потоков различных спектральных диапазонов, шир скорости которых может приводить к уменьшению уровня аномальных переносов в плазме. При достижении улучшенного удержания в Н-моде могут возникать факторы, ограничивающие возрастание давления плазмы на периферии токамаков. Они возникают при развитии периферийных локализованных мод (ELM) в токамаках и проявляются в виде квазипериодических нитевидных структур или филаментов. Возникновение этих структур приводит к аномальным выбросам энергии и частиц на первую стенку токамаков и пластины дивертора. Предлагаемый проект направлен на исследования указанных колебательных процессов и, в конечном счете, определение их роли в удержании плазмы. Актуальность работы обусловлена тем, что эти квазикогерентные колебательные процессы в конечном счете оказывают влияние на эффективность удержания плазмы в магнитных системах и, тем самым, определяют экономическую эффективность как термоядерного реактора, так и термоядерного источника нейтронов на основе токамаков.Эксперименты будут проводиться на токамаках ФТИ им А.Ф. Иоффе с существенно различными магнитными конфигурациями – на токамаке ТУМАН-3М с круглым лимитером и на новом сферическом токамаке Глобус-М2 с диверторной конфигурацией. Можно будет провести сравнение полученных данных и определить, в какой мере геометрические факторы влияют на развитие колебательных процессов на периферии разряда в токамаке. В экспериментах предполагается комплексный подход в использовании различных методов диагностики, однако основным методом будет являться метод микроволнового допплеровского обратного рассеяния (ДОР) или метод допплеровской рефлектометрии. Этот метод нашел применение на крупных токамаках и стеллараторах и планируется к использованию на международном токамаке ИТЭР. На токамаке Глобус-М с помощью метода ДОР уже были зарегистрированы филаменты в Н-моде (В.В. Буланин, А.В. Петров, А.Ю. Яшин и др. Письма в ЖТФ, 2011, Т. 37, No. 7, стр. 103–110.). В проекте планируется продолжить эти исследования на токамаке Глобус-М2 с использованием нового технического оснащения, которое позволит определять пространственную структуру филаментов, а также впервые применить метод ДОР для регистрации нитевидных структур на токамаке ТУМАН-3М. ДОР уже используется для исследования зональных потоков. Акцент будет сделан на измерение шира скорости и определение его влияния на формирование периферийного транспортного барьера. Специально будет изучены промежуточные режимы удержания, предшествующие переходу в Н-моду при различных магнитных конфигурациях. В этих режимах изменения потоков и уровня турбулентности могут носить осцилляторный характер, известный в теории нелинейных колебаний как колебания предельного цикла (LCO). Исследование шира скорости доступно при использовании ДОР с многочастотным зондированием. Экспериментальные исследования на токамаке ТУМАН-3М будут сопровождаться моделированием процесса перехода в Н-моду, вызванного появлением зональных потоков, с использованием уже ранее разработанного численного кода. Для осуществления предлагаемых подходов в использовании ДОР будут использованы диагностические стенды, включающие и установки с многочастотным зондированием плазмы, которые позволят проводить одновременные исследования в различных областях малого сечения тора.Основные физические результаты работы будут использованы при построении последовательных теорий и моделей процессов, которые играют важную роль в образовании и поддержании периферийных транспортных барьеров. Полученные данные послужат основанием для внедрения новых методов использования ДОР на отечественных токамаках: Т-15 и на различных модификациях источников термоядерных нейтронов на основе токамака. Успешное выполнение основных работ по проекту позволит существенно расширить диапазон задач, который определен сейчас для применения ДОР на токамаке ИТЭР.